出品：科普中國

作者：海里的咸魚（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）

監制：中國科普博覽

在某些科幻作品中，我們會看到這樣的設定：主角戴上特殊眼鏡，眼前的景象瞬間煥然一新，原本空無一物的空氣中浮現出隱藏在不可見光中的秘密世界。

如今，這種想象正被中國科學家變為現實——中國科學技術大學生命科學與醫學部和合肥微尺度物質科學國家研究中心薛天/馬玉乾團隊，工程科學學院龔興龍/王勝團隊，復旦大學化學系張凡團隊，以及國際科研機構合作，開發出了一款特殊的隱形眼鏡，可將近紅外光轉化為可見光，從而使得人眼間接地感知紅外線。

紅外線及其傳統感知方法

眼睛是人類獲取外界信息的重要器官，通過接收光線來認知世界的形貌。本質上，光線是一種電磁波，而電磁波在我們的日常生活中無處不在：太陽光、微波爐中加熱食物的微波、WIFI信號都是電磁波的不同表現形式。這些電磁波最主要的區別特征就是它們的波長差異。

然而在自然界豐富多樣的光線中，只有特定波長范圍的光才能被人眼所感知。人眼能夠感知波長在400-700納米之間的電磁波，處在這一范圍的電磁波稱為可見光。并且，不同波長的可見光會被人眼識別為不同顏色。

而超出這個范圍，波長在700-2500納米的電磁波雖然無法被人眼感知，但它卻大有用處——這就是紅外線。自然界的所有物體都在向外發出這個波段的電磁波，其具體波長與物體溫度密切相關。正是基于這一特性，我們可以借助儀器“看見”紅外線呈現的世界。例如在漆黑的夜晚，沒有可見光，但周圍景物依然會發出紅外線，紅外夜視儀正是通過探測這些紅外線，具備了夜間觀察的功能。

電磁波和可見光波譜

（圖片來源：中國科學技術大學官網）

感知紅外線的關鍵：巧妙利用上轉換發光現象

要想了解可以“看見”紅外線的隱形眼鏡原理，首先需要知道電磁波是什么？電磁波可以看作是由光子組成，其波長越短，對應的光子能量也就越高。紅外線的波長比可見光要長，紅外線的光子能量比可見光的光子能量要低。這種能量差異催生了兩種截然不同的光學現象：熒光現象和上轉換發光。

無論是自然界還是生活中，熒光現象都十分普遍，例如發光的水母、熒光筆等。究其本質，其實是這些物質吸收了高能量的光，釋放出低能量的光。與之相反，上轉換發光現象則是將低能量的長波輻射轉化為高能量的短波發光，這一過程就能把“不可見的光線”魔術般地變成“可見的色彩”。

研究團隊巧妙利用這一原理，在設計隱形眼鏡時添加了上轉換納米顆粒，使得低能量紅外線光子搖身一變，成為能量更高的可見光光子。

具體而言，這些摻雜了稀土元素的納米顆粒，能夠連續吸收兩個或多個紅外線光子，再釋放出一個可見光子。把能量比喻為水，光子比喻為接水的桶，上轉換過程相當于用一個大桶（可見光子），接了兩個或者更多小桶（紅外光子）的水，最終把小桶中的水融合在了一起。這一過程無需提供額外的能量，并且納米顆粒能夠很好地融合在制作隱形眼睛的材料中。

可紅外夜視的隱形眼鏡原理，將不同波長的紅外線轉換為不同顏色的可見光，可見光被人眼感知，人眼間接有了感知紅外線的能力

（圖片來源：參考文獻[1]）

上轉換發光技術的多樣應用：醫療革新與防偽升級

除了賦予人眼近紅外視覺能力，上轉換效應在其它領域的應用潛能也非常大。

一是醫療領域。光動力治療是一種基于光敏藥物的治療方法：藥物在特定波長的光照射下，會產生活性氧，從而誘導細胞死亡。光敏藥物一般需要可見光或者能量更高的紫外光。然而，在治療體內腫瘤時，這兩種光對人體的穿透能力比較弱。更關鍵的是，紫外光還會對正常的細胞造成傷害。

在這種情況下，上轉換納米粒子提供了理想的解決方案：光敏藥物結合上轉換粒子，激發光源就可以使用紅外光，紅外光穿透能力比較強，而且不對人體本身的細胞造成傷害。上轉換材料在吸收紅外光后轉換出可見光，再激發光敏藥物，最終殺死腫瘤細胞。這種方法不僅能夠精確控制光敏藥物的激活位置，還顯著提升了治療效果。

二是防偽技術領域。當前，人們使用手機支付的頻率大大提高，收到假鈔的風險也隨之降低，曾經使用紫外燈照射紙鈔驗證真假的場景也變得少見了。然而，商品的仿制和偽造現象依然存在。當今世界，假冒商品的貿易收入是有組織犯罪收入的第二大來源。

傳統防偽技術中使用的熒光油墨在紫外光的照射下會立即發出可見光，但這一技術早已被破解，逐漸失效。相比之下，上轉換發光材料展現出獨特的優勢，不僅可以調配發光的顏色，還能設置特定的激發光源，仿制難度極大，因此常被用于高端藥品包裝、奢侈品標簽等領域。

這項突破性的“光譜視覺增強器”技術，不僅讓科幻中的“夜視隱形眼鏡”成為現實，更為人類打開了感知世界的新維度。從科幻到現實，科技的每一次飛躍都在重塑人類的認知邊界。戴上這副特殊的隱形眼鏡，我們看到的不僅是紅外光，更是科學與想象碰撞出的無限可能。

參考文獻：

[1]陳寶玖, et al. 用于防偽標簽的發光材料研究進展 (特邀). ACTA PHOTONICA SINICA 51.8 (2022): 0851504-0851504.

[2]花景田, et al. 稀土摻雜材料的上轉換發光. 中國光學與應用光學 3.4 (2010): 301-309.

[3]鄭曉鵬, 田甘, and 谷戰軍. 熒光上轉換納米材料在光動力學治療癌癥中的應用. 中國腫瘤臨床 41.1 (2020): 27-31.

[4]Ma, Yuqian, et al. Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses. Cell (2025).

來源: 中國科普博覽

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